Страница:
Для того, чтобы присвоить коду группы процессов начальное значение, приравняв его коду идентификации процесса, следует воспользоваться системной функцией setpgrp. Синтаксис вызова функции:
grp = setpgrp();
где grp — новый код группы процессов. При выполнении функции fork процесс-потомок наследует код группы своего родителя. Использование функции setpgrp при назначении для процесса операторского терминала имеет важные особенности, на которые стоит обратить внимание (см. раздел 10.3.5).
7.2.3 Посылка сигналов процессами
7.3 ЗАВЕРШЕНИЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЦЕССА
7.4 ОЖИДАНИЕ ЗАВЕРШЕНИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЦЕССА
7.5 ВЫЗОВ ДРУГИХ ПРОГРАММ
grp = setpgrp();
где grp — новый код группы процессов. При выполнении функции fork процесс-потомок наследует код группы своего родителя. Использование функции setpgrp при назначении для процесса операторского терминала имеет важные особенности, на которые стоит обратить внимание (см. раздел 10.3.5).
7.2.3 Посылка сигналов процессами
Для посылки сигналов процессы используют системную функцию kill. Синтаксис вызова функции:
kill(pid, signum)
где в pid указывается адресат посылаемого сигнала (область действия сигнала), а в signum — номер посылаемого сигнала. Связь между значением pid и совокупностью выполняющихся процессов следующая:
• Если pid — положительное целое число, ядро посылает сигнал процессу с идентификатором pid.
• Если значение pid равно 0, сигнал посылается всем процессам, входящим в одну группу с процессом, вызвавшим функцию kill.
• Если значение pid равно -1, сигнал посылается всем процессам, у которых реальный код идентификации пользователя совпадает с тем, под которым исполняется процесс, вызвавший функцию kill (об этих кодах более подробно см. в разделе 7.6). Если процесс, пославший сигнал, исполняется под кодом идентификации суперпользователя, сигнал рассылается всем процессам, кроме процессов с идентификаторами 0 и 1.
• Если pid — отрицательное целое число, но не -1, сигнал посылается всем процессам, входящим в группу с номером, равным абсолютному значению pid.
Во всех случаях, если процесс, пославший сигнал, исполняется под кодом идентификации пользователя, не являющегося суперпользователем, или если коды идентификации пользователя (реальный и исполнительный) у этого процесса не совпадают с соответствующими кодами процесса, принимающего сигнал, kill завершается неудачно.
В программе, приведенной на Рисунке 7.13, главный процесс сбрасывает установленное ранее значение номера группы и порождает 10 новых процессов. При рождении каждый процесс-потомок наследует номер группы процессов своего родителя, однако, процессы, созданные в нечетных итерациях цикла, сбрасывают это значение. Системные функции getpid и getpgrp возвращают значения кода идентификации выполняемого процесса и номера группы, в которую он входит, а функция pause приостанавливает выполнение процесса до момента получения сигнала. В конечном итоге родительский процесс запускает функцию kill и посылает сигнал о прерывании всем процессам, входящим в одну с ним группу. Ядро посылает сигнал пяти «четным» процессам, не сбросившим унаследованное значение номера группы, при этом пять «нечетных» процессов продолжают свое выполнение.
#include ‹signal.h›
main() {
register int i;
setpgrp();
for (i = 0; i ‹ 10; i++) {
if (fork() == 0) {
/* порожденный процесс */
if (i & 1) setpgrp();
printf("pid = %d pgrp = %d\n", getpid(), getpgrp());
pause(); /* системная функция приостанова выполнения */
}
}
kill(0, SIGINT);
}
Рисунок 7.13. Пример использования функции setpgrp
kill(pid, signum)
где в pid указывается адресат посылаемого сигнала (область действия сигнала), а в signum — номер посылаемого сигнала. Связь между значением pid и совокупностью выполняющихся процессов следующая:
• Если pid — положительное целое число, ядро посылает сигнал процессу с идентификатором pid.
• Если значение pid равно 0, сигнал посылается всем процессам, входящим в одну группу с процессом, вызвавшим функцию kill.
• Если значение pid равно -1, сигнал посылается всем процессам, у которых реальный код идентификации пользователя совпадает с тем, под которым исполняется процесс, вызвавший функцию kill (об этих кодах более подробно см. в разделе 7.6). Если процесс, пославший сигнал, исполняется под кодом идентификации суперпользователя, сигнал рассылается всем процессам, кроме процессов с идентификаторами 0 и 1.
• Если pid — отрицательное целое число, но не -1, сигнал посылается всем процессам, входящим в группу с номером, равным абсолютному значению pid.
Во всех случаях, если процесс, пославший сигнал, исполняется под кодом идентификации пользователя, не являющегося суперпользователем, или если коды идентификации пользователя (реальный и исполнительный) у этого процесса не совпадают с соответствующими кодами процесса, принимающего сигнал, kill завершается неудачно.
В программе, приведенной на Рисунке 7.13, главный процесс сбрасывает установленное ранее значение номера группы и порождает 10 новых процессов. При рождении каждый процесс-потомок наследует номер группы процессов своего родителя, однако, процессы, созданные в нечетных итерациях цикла, сбрасывают это значение. Системные функции getpid и getpgrp возвращают значения кода идентификации выполняемого процесса и номера группы, в которую он входит, а функция pause приостанавливает выполнение процесса до момента получения сигнала. В конечном итоге родительский процесс запускает функцию kill и посылает сигнал о прерывании всем процессам, входящим в одну с ним группу. Ядро посылает сигнал пяти «четным» процессам, не сбросившим унаследованное значение номера группы, при этом пять «нечетных» процессов продолжают свое выполнение.
#include ‹signal.h›
main() {
register int i;
setpgrp();
for (i = 0; i ‹ 10; i++) {
if (fork() == 0) {
/* порожденный процесс */
if (i & 1) setpgrp();
printf("pid = %d pgrp = %d\n", getpid(), getpgrp());
pause(); /* системная функция приостанова выполнения */
}
}
kill(0, SIGINT);
}
Рисунок 7.13. Пример использования функции setpgrp
7.3 ЗАВЕРШЕНИЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЦЕССА
В системе UNIX процесс завершает свое выполнение, запуская системную функцию exit. После этого процесс переходит в состояние «прекращения существования» (см. Рисунок 6.1), освобождает ресурсы и ликвидирует свой контекст. Синтаксис вызова функции:
exit(status);
где status — значение, возвращаемое функцией родительскому процессу. Процессы могут вызывать функцию exit как в явном, так и в неявном виде (по окончании выполнения программы: начальная процедура (startup), компонуемая со всеми программами на языке Си, вызывает функцию exit на выходе программы из функции main, являющейся общей точкой входа для всех программ). С другой стороны, ядро может вызывать функцию exit по своей инициативе, если процесс не принял посланный ему сигнал (об этом мы уже говорили выше). В этом случае значение параметра status равно номеру сигнала.
Система не накладывает никакого ограничения на продолжительность выполнения процесса, и зачастую процессы существуют в течение довольно длительного времени. Нулевой процесс (программа подкачки) и процесс 1 (init), к примеру, существуют на протяжении всего времени жизни системы. Продолжительными процессами являются также getty-процессы, контролирующие работу терминальной линии, ожидая регистрации пользователей, и процессы общего назначения, выполняемые под руководством администратора.
На Рисунке 7.14 приведен алгоритм функции exit. Сначала ядро отменяет обработку всех сигналов, посылаемых процессу, поскольку ее продолжение становится бессмысленным. Если процесс, вызывающий функцию exit, возглавляет группу процессов, ассоциированную с операторским терминалом (см. раздел 10.3.5), ядро делает предположение о том, что пользователь прекращает работу, и посылает всем процессам в группе сигнал о «зависании». Таким образом, если пользователь в регистрационном shell'е нажмет последовательность клавиш, означающую «конец файла» (Ctrl-d), при этом с терминалом остались связанными некоторые из существующих процессов, процесс, выполняющий функцию exit, пошлет им всем сигнал о «зависании». Кроме того, ядро сбрасывает в ноль значение кода группы процессов для всех процессов, входящих в данную группу, поскольку не исключена возможность того, что позднее текущий код идентификации процесса (процесса, который вызвал функцию exit) будет присвоен другому процессу и тогда последний возглавит группу с указанным кодом. Процессы, входившие в старую группу, в новую группу входить не будут. После этого ядро просматривает дескрипторы открытых файлов, закрывает каждый из этих файлов по алгоритму close и освобождает по алгоритму iput индексы текущего каталога и корня (если он изменялся).
алгоритм exit
входная информация: код, возвращаемый родительскому процессу
выходная информация: отсутствует
{
игнорировать все сигналы;
if (процесс возглавляет группу процессов, ассоциированную с операторским терминалом) {
послать всем процессам, входящим в группу, сигнал о «зависании»;
сбросить в ноль код группы процессов;
}
закрыть все открытые файлы (внутренняя модификация алгоритма close);
освободить текущий каталог (алгоритм iput);
освободить области и память, ассоциированную с процессом (алгоритм freereg);
создать запись с учетной информацией;
прекратить существование процесса (перевести его в соответствующее состояние);
назначить всем процессам-потомкам в качестве родителя процесс init (1);
если кто-либо из потомков прекратил существование, послать процессу init сигнал «гибель потомка»;
послать сигнал «гибель потомка» родителю данного процесса;
переключить контекст;
}
Рисунок 7.14. Алгоритм функции exit
Наконец, ядро освобождает всю выделенную задаче память вместе с соответствующими областями (по алгоритму detachreg) и переводит процесс в состояние прекращения существования. Ядро сохраняет в таблице процессов код возврата функции exit (status), а также суммарное время исполнения процесса и его потомков в режиме ядра и режиме задачи. В разделе 7.4 при рассмотрении функции wait будет показано, каким образом процесс получает информацию о времени выполнения своих потомков. Ядро также создает в глобальном учетном файле запись, которая содержит различную статистическую информацию о выполнении процесса, такую как код идентификации пользователя, использование ресурсов центрального процессора и памяти, объем потоков ввода-вывода, связанных с процессом. Пользовательские программы могут в любой момент обратиться к учетному файлу за статистическими данными, представляющими интерес с точки зрения слежения за функционированием системы и организации расчетов с пользователями. Ядро удаляет процесс из дерева процессов, а его потомков передает процессу 1 (init). Таким образом, процесс 1 становится законным родителем всех продолжающих существование потомков завершающегося процесса. Если кто-либо из потомков прекращает существование, завершающийся процесс посылает процессу init сигнал «гибель потомка» для того, чтобы процесс начальной загрузки мог удалить запись о потомке из таблицы процессов (см. раздел 7.9); кроме того, завершающийся процесс посылает этот сигнал своему родителю. В типичной ситуации родительский процесс синхронизирует свое выполнение с завершающимся потомком с помощью системной функции wait. Прекращая существование, процесс переключает контекст и ядро может теперь выбирать для исполнения следующий процесс; ядро с этих пор уже не будет исполнять процесс, прекративший существование.
В программе, приведенной на Рисунке 7.15, процесс создает новый процесс, который печатает свой код идентификации и вызывает системную функцию pause, приостанавливаясь до получения сигнала. Процесс-родитель печатает PID своего потомка и завершается, возвращая только что выведенное значение через параметр status. Если бы вызов функции exit отсутствовал, начальная процедура сделала бы его по выходе процесса из функции main. Порожденный процесс продолжает ожидать получения сигнала, даже если его родитель уже завершился.
exit(status);
где status — значение, возвращаемое функцией родительскому процессу. Процессы могут вызывать функцию exit как в явном, так и в неявном виде (по окончании выполнения программы: начальная процедура (startup), компонуемая со всеми программами на языке Си, вызывает функцию exit на выходе программы из функции main, являющейся общей точкой входа для всех программ). С другой стороны, ядро может вызывать функцию exit по своей инициативе, если процесс не принял посланный ему сигнал (об этом мы уже говорили выше). В этом случае значение параметра status равно номеру сигнала.
Система не накладывает никакого ограничения на продолжительность выполнения процесса, и зачастую процессы существуют в течение довольно длительного времени. Нулевой процесс (программа подкачки) и процесс 1 (init), к примеру, существуют на протяжении всего времени жизни системы. Продолжительными процессами являются также getty-процессы, контролирующие работу терминальной линии, ожидая регистрации пользователей, и процессы общего назначения, выполняемые под руководством администратора.
На Рисунке 7.14 приведен алгоритм функции exit. Сначала ядро отменяет обработку всех сигналов, посылаемых процессу, поскольку ее продолжение становится бессмысленным. Если процесс, вызывающий функцию exit, возглавляет группу процессов, ассоциированную с операторским терминалом (см. раздел 10.3.5), ядро делает предположение о том, что пользователь прекращает работу, и посылает всем процессам в группе сигнал о «зависании». Таким образом, если пользователь в регистрационном shell'е нажмет последовательность клавиш, означающую «конец файла» (Ctrl-d), при этом с терминалом остались связанными некоторые из существующих процессов, процесс, выполняющий функцию exit, пошлет им всем сигнал о «зависании». Кроме того, ядро сбрасывает в ноль значение кода группы процессов для всех процессов, входящих в данную группу, поскольку не исключена возможность того, что позднее текущий код идентификации процесса (процесса, который вызвал функцию exit) будет присвоен другому процессу и тогда последний возглавит группу с указанным кодом. Процессы, входившие в старую группу, в новую группу входить не будут. После этого ядро просматривает дескрипторы открытых файлов, закрывает каждый из этих файлов по алгоритму close и освобождает по алгоритму iput индексы текущего каталога и корня (если он изменялся).
алгоритм exit
входная информация: код, возвращаемый родительскому процессу
выходная информация: отсутствует
{
игнорировать все сигналы;
if (процесс возглавляет группу процессов, ассоциированную с операторским терминалом) {
послать всем процессам, входящим в группу, сигнал о «зависании»;
сбросить в ноль код группы процессов;
}
закрыть все открытые файлы (внутренняя модификация алгоритма close);
освободить текущий каталог (алгоритм iput);
освободить области и память, ассоциированную с процессом (алгоритм freereg);
создать запись с учетной информацией;
прекратить существование процесса (перевести его в соответствующее состояние);
назначить всем процессам-потомкам в качестве родителя процесс init (1);
если кто-либо из потомков прекратил существование, послать процессу init сигнал «гибель потомка»;
послать сигнал «гибель потомка» родителю данного процесса;
переключить контекст;
}
Рисунок 7.14. Алгоритм функции exit
Наконец, ядро освобождает всю выделенную задаче память вместе с соответствующими областями (по алгоритму detachreg) и переводит процесс в состояние прекращения существования. Ядро сохраняет в таблице процессов код возврата функции exit (status), а также суммарное время исполнения процесса и его потомков в режиме ядра и режиме задачи. В разделе 7.4 при рассмотрении функции wait будет показано, каким образом процесс получает информацию о времени выполнения своих потомков. Ядро также создает в глобальном учетном файле запись, которая содержит различную статистическую информацию о выполнении процесса, такую как код идентификации пользователя, использование ресурсов центрального процессора и памяти, объем потоков ввода-вывода, связанных с процессом. Пользовательские программы могут в любой момент обратиться к учетному файлу за статистическими данными, представляющими интерес с точки зрения слежения за функционированием системы и организации расчетов с пользователями. Ядро удаляет процесс из дерева процессов, а его потомков передает процессу 1 (init). Таким образом, процесс 1 становится законным родителем всех продолжающих существование потомков завершающегося процесса. Если кто-либо из потомков прекращает существование, завершающийся процесс посылает процессу init сигнал «гибель потомка» для того, чтобы процесс начальной загрузки мог удалить запись о потомке из таблицы процессов (см. раздел 7.9); кроме того, завершающийся процесс посылает этот сигнал своему родителю. В типичной ситуации родительский процесс синхронизирует свое выполнение с завершающимся потомком с помощью системной функции wait. Прекращая существование, процесс переключает контекст и ядро может теперь выбирать для исполнения следующий процесс; ядро с этих пор уже не будет исполнять процесс, прекративший существование.
В программе, приведенной на Рисунке 7.15, процесс создает новый процесс, который печатает свой код идентификации и вызывает системную функцию pause, приостанавливаясь до получения сигнала. Процесс-родитель печатает PID своего потомка и завершается, возвращая только что выведенное значение через параметр status. Если бы вызов функции exit отсутствовал, начальная процедура сделала бы его по выходе процесса из функции main. Порожденный процесс продолжает ожидать получения сигнала, даже если его родитель уже завершился.
7.4 ОЖИДАНИЕ ЗАВЕРШЕНИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЦЕССА
Процесс может синхронизировать продолжение своего выполнения с моментом завершения потомка, если воспользуется системной функцией wait. Синтаксис вызова функции:
pid = wait(stat_addr);
где pid — значение кода идентификации (PID) прекратившего свое существование потомка, stat_addr — адрес переменной целого типа, в которую будет помещено возвращаемое функцией exit значение, в пространстве задачи.
main() {
int child;
if ((child = fork()) == 0) {
printf("PID потомка %d\n", getpid());
pause(); /* приостанов выполнения до получения сигнала */
}
/* родитель */
printf("PID потомка %d\n", child);
exit(child);
}
Рисунок 7.15. Пример использования функции exit
Алгоритм функции wait приведен на Рисунке 7.16. Ядро ведет поиск потомков процесса, прекративших существование, и в случае их отсутствия возвращает ошибку. Если потомок, прекративший существование, обнаружен, ядро передает его код идентификации и значение, возвращаемое через параметр функции exit, процессу, вызвавшему функцию wait. Таким образом, через параметр функции exit (status) завершающийся процесс может передавать различные значения, в закодированном виде содержащие информацию о причине завершения процесса, однако на практике этот параметр используется по назначению довольно редко. Ядро передает в соответствующие поля, принадлежащие пространству родительского процесса, накопленные значения продолжительности исполнения процесса-потомка в режиме ядра и в режиме задачи и, наконец, освобождает в таблице процессов место, которое в ней занимал прежде прекративший существование процесс. Это место будет предоставлено новому процессу.
Если процесс, выполняющий функцию wait, имеет потомков, продолжающих существование, он приостанавливается до получения ожидаемого сигнала. Ядро не возобновляет по своей инициативе процесс, приостановившийся с помощью функции wait: такой процесс может возобновиться только в случае получения сигнала. На все сигналы, кроме сигнала «гибель потомка», процесс реагирует ранее рассмотренным образом. Реакция процесса на сигнал «гибель потомка» проявляется по-разному в зависимости от обстоятельств:
• По умолчанию (то есть если специально не оговорены никакие другие действия) процесс выходит из состояния останова, в которое он вошел с помощью функции wait, и запускает алгоритм issig для опознания типа поступившего сигнала. Алгоритм issig (Рисунок 7.7) рассматривает особый случай поступления сигнала типа «гибель потомка» и возвращает «ложь». Поэтому ядро не выполняет longjump из функции sleep, а возвращает управление функции wait. Оно перезапускает функцию wait, находит потомков, прекративших существование (по крайней мере, одного), освобождает место в таблице процессов, занимаемое этими потомками, и выходит из функции wait, возвращая управление процессу, вызвавшему ее.
• Если процессы принимает сигналы данного типа, ядро делает все необходимые установки для запуска пользовательской функции обработки сигнала, как и в случае поступления сигнала любого другого типа.
• Если процесс игнорирует сигналы данного типа, ядро перезапускает функцию wait, освобождает в таблице процессов место, занимаемое потомками, прекратившими существование, и исследует оставшихся потомков.
алгоритм wait
входная информация: адрес переменной для хранения значения status, возвращаемого завершающимся процессом
выходная информация: идентификатор потомка и код возврата функции exit
{
if (процесс, вызвавший функцию wait, не имеет потомков) return (ошибку);
for (;;) { /* цикл с внутренним циклом */
if (процесс, вызвавший функцию wait, имеет потомков, прекративших существование) {
выбрать произвольного потомка;
передать его родителю информацию об использовании потомком ресурсов центрального процессора;
освободить в таблице процессов место, занимаемое потомком;
return (идентификатор потомка, код возврата функции exit, вызванной потомком);
}
if (у процесса нет потомков) return ошибку;
приостановиться с приоритетом, допускающим прерывания (до завершения потомка);
}
}
Рисунок 7.16. Алгоритм функции wait
Например, если пользователь запускает программу, приведенную на Рисунке 7.17, с параметром и без параметра, он получит разные результаты. Сначала рассмотрим случай, когда пользователь запускает программу без параметра (единственный параметр — имя программы, то есть argc равно 1). Родительский процесс порождает 15 потомков, которые в конечном итоге завершают свое выполнение с кодом возврата i, номером процесса в порядке очередности создания. Ядро, исполняя функцию wait для родителя, находит потомка, прекратившего существование, и передает родителю его идентификатор и код возврата функции exit. При этом заранее не известно, какой из потомков будет обнаружен. Из текста программы, реализующей системную функцию exit, написанной на языке Си и включенной в библиотеку стандартных подпрограмм, видно, что программа запоминает код возврата функции exit в битах 8-15 поля ret_code и возвращает функции wait идентификатор процесса-потомка. Таким образом, в ret_code хранится значение, равное 256*i, где i — номер потомка, а в ret_val заносится значение идентификатора потомка.
Если пользователь запускает программу с параметром (то есть argc › 1), родительский процесс с помощью функции signal делает распоряжение игнорировать сигналы типа «гибель потомка». Предположим, что родительский процесс, выполняя функцию wait, приостановился еще до того, как его потомок произвел обращение к функции exit: когда процесс-потомок переходит к выполнению функции exit, он посылает своему родителю сигнал «гибель потомка»; родительский процесс возобновляется, поскольку он был приостановлен с приоритетом, допускающим прерывания. Когда так или иначе родительский процесс продолжит свое выполнение, он обнаружит, что сигнал сообщал о «гибели» потомка; однако, поскольку он игнорирует сигналы этого типа и не обрабатывает их, ядро удаляет из таблицы процессов запись, соответствующую прекратившему существование потомку, и продолжает выполнение функции wait так, словно сигнала и не было. Ядро выполняет эти действия всякий раз, когда родительский процесс получает сигнал типа «гибель потомка», до тех пор, пока цикл выполнения функции wait не будет завершен и пока не будет установлено, что у процесса больше потомков нет. Тогда функция wait возвращает значение, равное -1. Разница между двумя способами запуска программы состоит в том, что в первом случае процесс-родитель ждет завершения любого из потомков, в то время как во втором случае он ждет, пока завершатся все его потомки.
#include ‹signal.h›
main(argc, argv)
int argc;
char *argv[];
{
int i, ret_val, ret_code;
if (argc ›= 1) signal(SIGCLD, SIG_IGN); /* игнорировать гибель потомков */
for (i = 0; i ‹ 15; i++) if (fork() == 0) {
/* процесс-потомок */
printf("процесс-потомок %x\n", getpid());
exit(i);
}
ret_val = wait(&ret_code);
printf("wait ret_val %x ret_code %x\n", ret_val, ret_code);
}
Рисунок 7.17. Пример использования функции wait и игнорирования сигнала «гибель потомка»
В ранних версиях системы UNIX функции exit и wait не использовали и не рассматривали сигнал типа «гибель потомка». Вместо посылки сигнала функция exit возобновляла выполнение родительского процесса. Если родительский процесс при выполнении функции wait приостановился, он возобновляется, находит потомка, прекратившего существование, и возвращает управление. В противном случае возобновления не происходит; процесс-родитель обнаружит «погибшего» потомка при следующем обращении к функции wait. Точно так же и процесс начальной загрузки (init) может приостановиться, используя функцию wait, и завершающиеся по exit процессы будут возобновлять его, если он имеет усыновленных потомков, прекращающих существование.
В такой реализации функций exit и wait имеется одна нерешенная проблема, связанная с тем, что процессы, прекратившие существование, нельзя убирать из системы до тех пор, пока их родитель не исполнит функцию wait. Если процесс создал множество потомков, но так и не исполнил функцию wait, может произойти переполнение таблицы процессов из-за наличия потомков, прекративших существование с помощью функции exit. В качестве примера рассмотрим текст программы планировщика процессов, приведенный на Рисунке 7.18. Процесс производит считывание данных из файла стандартного ввода до тех пор, пока не будет обнаружен конец файла, создавая при каждом исполнении функции read нового потомка. Однако, процесс-родитель не дожидается завершения каждого потомка, поскольку он стремится запускать процессы на выполнение как можно быстрее, тем более, что может пройти довольно много времени, прежде чем процесс-потомок завершит свое выполнение. Если, обратившись к функции signal, процесс распорядился игнорировать сигналы типа «гибель потомка», ядро будет очищать записи, соответствующие прекратившим существование процессам, автоматически. Иначе в конечном итоге из-за таких процессов может произойти переполнение таблицы.
#include ‹signal.h›
main(argc, argv) {
char buf[256];
if (argc != 1) signal(SIGCLD, SIG_IGN); /* игнорировать гибель потомков */
while (read(0, buf, 256))
if (fork() == 0) {
/* здесь процесс-потомок обычно выполняет какие-то операции над буфером (buf) */
exit(0);
}
}
Рисунок 7.18. Пример указания причины появления сигнала «гибель потомков»
pid = wait(stat_addr);
где pid — значение кода идентификации (PID) прекратившего свое существование потомка, stat_addr — адрес переменной целого типа, в которую будет помещено возвращаемое функцией exit значение, в пространстве задачи.
main() {
int child;
if ((child = fork()) == 0) {
printf("PID потомка %d\n", getpid());
pause(); /* приостанов выполнения до получения сигнала */
}
/* родитель */
printf("PID потомка %d\n", child);
exit(child);
}
Рисунок 7.15. Пример использования функции exit
Алгоритм функции wait приведен на Рисунке 7.16. Ядро ведет поиск потомков процесса, прекративших существование, и в случае их отсутствия возвращает ошибку. Если потомок, прекративший существование, обнаружен, ядро передает его код идентификации и значение, возвращаемое через параметр функции exit, процессу, вызвавшему функцию wait. Таким образом, через параметр функции exit (status) завершающийся процесс может передавать различные значения, в закодированном виде содержащие информацию о причине завершения процесса, однако на практике этот параметр используется по назначению довольно редко. Ядро передает в соответствующие поля, принадлежащие пространству родительского процесса, накопленные значения продолжительности исполнения процесса-потомка в режиме ядра и в режиме задачи и, наконец, освобождает в таблице процессов место, которое в ней занимал прежде прекративший существование процесс. Это место будет предоставлено новому процессу.
Если процесс, выполняющий функцию wait, имеет потомков, продолжающих существование, он приостанавливается до получения ожидаемого сигнала. Ядро не возобновляет по своей инициативе процесс, приостановившийся с помощью функции wait: такой процесс может возобновиться только в случае получения сигнала. На все сигналы, кроме сигнала «гибель потомка», процесс реагирует ранее рассмотренным образом. Реакция процесса на сигнал «гибель потомка» проявляется по-разному в зависимости от обстоятельств:
• По умолчанию (то есть если специально не оговорены никакие другие действия) процесс выходит из состояния останова, в которое он вошел с помощью функции wait, и запускает алгоритм issig для опознания типа поступившего сигнала. Алгоритм issig (Рисунок 7.7) рассматривает особый случай поступления сигнала типа «гибель потомка» и возвращает «ложь». Поэтому ядро не выполняет longjump из функции sleep, а возвращает управление функции wait. Оно перезапускает функцию wait, находит потомков, прекративших существование (по крайней мере, одного), освобождает место в таблице процессов, занимаемое этими потомками, и выходит из функции wait, возвращая управление процессу, вызвавшему ее.
• Если процессы принимает сигналы данного типа, ядро делает все необходимые установки для запуска пользовательской функции обработки сигнала, как и в случае поступления сигнала любого другого типа.
• Если процесс игнорирует сигналы данного типа, ядро перезапускает функцию wait, освобождает в таблице процессов место, занимаемое потомками, прекратившими существование, и исследует оставшихся потомков.
алгоритм wait
входная информация: адрес переменной для хранения значения status, возвращаемого завершающимся процессом
выходная информация: идентификатор потомка и код возврата функции exit
{
if (процесс, вызвавший функцию wait, не имеет потомков) return (ошибку);
for (;;) { /* цикл с внутренним циклом */
if (процесс, вызвавший функцию wait, имеет потомков, прекративших существование) {
выбрать произвольного потомка;
передать его родителю информацию об использовании потомком ресурсов центрального процессора;
освободить в таблице процессов место, занимаемое потомком;
return (идентификатор потомка, код возврата функции exit, вызванной потомком);
}
if (у процесса нет потомков) return ошибку;
приостановиться с приоритетом, допускающим прерывания (до завершения потомка);
}
}
Рисунок 7.16. Алгоритм функции wait
Например, если пользователь запускает программу, приведенную на Рисунке 7.17, с параметром и без параметра, он получит разные результаты. Сначала рассмотрим случай, когда пользователь запускает программу без параметра (единственный параметр — имя программы, то есть argc равно 1). Родительский процесс порождает 15 потомков, которые в конечном итоге завершают свое выполнение с кодом возврата i, номером процесса в порядке очередности создания. Ядро, исполняя функцию wait для родителя, находит потомка, прекратившего существование, и передает родителю его идентификатор и код возврата функции exit. При этом заранее не известно, какой из потомков будет обнаружен. Из текста программы, реализующей системную функцию exit, написанной на языке Си и включенной в библиотеку стандартных подпрограмм, видно, что программа запоминает код возврата функции exit в битах 8-15 поля ret_code и возвращает функции wait идентификатор процесса-потомка. Таким образом, в ret_code хранится значение, равное 256*i, где i — номер потомка, а в ret_val заносится значение идентификатора потомка.
Если пользователь запускает программу с параметром (то есть argc › 1), родительский процесс с помощью функции signal делает распоряжение игнорировать сигналы типа «гибель потомка». Предположим, что родительский процесс, выполняя функцию wait, приостановился еще до того, как его потомок произвел обращение к функции exit: когда процесс-потомок переходит к выполнению функции exit, он посылает своему родителю сигнал «гибель потомка»; родительский процесс возобновляется, поскольку он был приостановлен с приоритетом, допускающим прерывания. Когда так или иначе родительский процесс продолжит свое выполнение, он обнаружит, что сигнал сообщал о «гибели» потомка; однако, поскольку он игнорирует сигналы этого типа и не обрабатывает их, ядро удаляет из таблицы процессов запись, соответствующую прекратившему существование потомку, и продолжает выполнение функции wait так, словно сигнала и не было. Ядро выполняет эти действия всякий раз, когда родительский процесс получает сигнал типа «гибель потомка», до тех пор, пока цикл выполнения функции wait не будет завершен и пока не будет установлено, что у процесса больше потомков нет. Тогда функция wait возвращает значение, равное -1. Разница между двумя способами запуска программы состоит в том, что в первом случае процесс-родитель ждет завершения любого из потомков, в то время как во втором случае он ждет, пока завершатся все его потомки.
#include ‹signal.h›
main(argc, argv)
int argc;
char *argv[];
{
int i, ret_val, ret_code;
if (argc ›= 1) signal(SIGCLD, SIG_IGN); /* игнорировать гибель потомков */
for (i = 0; i ‹ 15; i++) if (fork() == 0) {
/* процесс-потомок */
printf("процесс-потомок %x\n", getpid());
exit(i);
}
ret_val = wait(&ret_code);
printf("wait ret_val %x ret_code %x\n", ret_val, ret_code);
}
Рисунок 7.17. Пример использования функции wait и игнорирования сигнала «гибель потомка»
В ранних версиях системы UNIX функции exit и wait не использовали и не рассматривали сигнал типа «гибель потомка». Вместо посылки сигнала функция exit возобновляла выполнение родительского процесса. Если родительский процесс при выполнении функции wait приостановился, он возобновляется, находит потомка, прекратившего существование, и возвращает управление. В противном случае возобновления не происходит; процесс-родитель обнаружит «погибшего» потомка при следующем обращении к функции wait. Точно так же и процесс начальной загрузки (init) может приостановиться, используя функцию wait, и завершающиеся по exit процессы будут возобновлять его, если он имеет усыновленных потомков, прекращающих существование.
В такой реализации функций exit и wait имеется одна нерешенная проблема, связанная с тем, что процессы, прекратившие существование, нельзя убирать из системы до тех пор, пока их родитель не исполнит функцию wait. Если процесс создал множество потомков, но так и не исполнил функцию wait, может произойти переполнение таблицы процессов из-за наличия потомков, прекративших существование с помощью функции exit. В качестве примера рассмотрим текст программы планировщика процессов, приведенный на Рисунке 7.18. Процесс производит считывание данных из файла стандартного ввода до тех пор, пока не будет обнаружен конец файла, создавая при каждом исполнении функции read нового потомка. Однако, процесс-родитель не дожидается завершения каждого потомка, поскольку он стремится запускать процессы на выполнение как можно быстрее, тем более, что может пройти довольно много времени, прежде чем процесс-потомок завершит свое выполнение. Если, обратившись к функции signal, процесс распорядился игнорировать сигналы типа «гибель потомка», ядро будет очищать записи, соответствующие прекратившим существование процессам, автоматически. Иначе в конечном итоге из-за таких процессов может произойти переполнение таблицы.
#include ‹signal.h›
main(argc, argv) {
char buf[256];
if (argc != 1) signal(SIGCLD, SIG_IGN); /* игнорировать гибель потомков */
while (read(0, buf, 256))
if (fork() == 0) {
/* здесь процесс-потомок обычно выполняет какие-то операции над буфером (buf) */
exit(0);
}
}
Рисунок 7.18. Пример указания причины появления сигнала «гибель потомков»
7.5 ВЫЗОВ ДРУГИХ ПРОГРАММ
Системная функция exec дает возможность процессу запускать другую программу, при этом соответствующий этой программе исполняемый файл будет располагаться в пространстве памяти процесса. Содержимое пользовательского контекста после вызова функции становится недоступным, за исключением передаваемых функции параметров, которые переписываются ядром из старого адресного пространства в новое. Синтаксис вызова функции:
execve(filename, argv, envp)
где filename — имя исполняемого файла, argv — указатель на массив параметров, которые передаются вызываемой программе, а envp — указатель на массив параметров, составляющих среду выполнения вызываемой программы. Вызов системной функции exec осуществляют несколько библиотечных функций, таких как execl, execv, execle и т. д. В том случае, когда программа использует параметры командной строки
main(argc, argv),
массив argv является копией одноименного параметра, передаваемого функции exec. Символьные строки, описывающие среду выполнения вызываемой программы, имеют вид «имя=значение» и содержат полезную для программ информацию, такую как начальный каталог пользователя и путь поиска исполняемых программ. Процессы могут обращаться к параметрам описания среды выполнения, используя глобальную переменную environ, которую заводит начальная процедура Си-интерпретатора.
алгоритм exec
входная информация:
(1) имя файла
(2) список параметров
(3) список переменных среды
выходная информация: отсутствует
{
получить индекс файла (алгоритм namei);
проверить, является ли файл исполнимым и имеет ли пользователь право на его исполнение;
прочитать информацию из заголовков файла и проверить, является ли он загрузочным модулем;
скопировать параметры, переданные функции, из старого адресного пространства в системное пространство;
for (каждой области, присоединенной к процессу)
отсоединить все старые области (алгоритм detachreg);
for (каждой области, определенной в загрузочном модуле) {
выделить новые области (алгоритм allocreg);
присоединить области (алгоритм attachreg);
загрузить область в память по готовности (алгоритм loadreg);
}
скопировать параметры, переданные функции, в новую область стека задачи;
специальная обработка для setuid-программ, трассировка;
проинициализировать область сохранения регистров задачи (в рамках подготовки к возвращению в режим задачи);
освободить индекс файла (алгоритм iput);
}
Рисунок 7.19. Алгоритм функции exec
На Рисунке 7.19 представлен алгоритм выполнения системной функции exec. Сначала функция обращается к файлу по алгоритму namei, проверяя, является ли файл исполнимым и отличным от каталога, а также проверяя наличие у пользователя права исполнять программу. Затем ядро, считывая заголовок файла, определяет размещение информации в файле (формат файла).
На Рисунке 7.20 изображен логический формат исполняемого файла в файловой системе, обычно генерируемый транслятором или загрузчиком. Он разбивается на четыре части:
1. Главный заголовок, содержащий информацию о том, на сколько разделов делится файл, а также содержащий начальный адрес исполнения процесса и некоторое «магическое число», описывающее тип исполняемого файла.
2. Заголовки разделов, содержащие информацию, описывающую каждый раздел в файле: его размер, виртуальные адреса, в которых он располагается, и др.
3. Разделы, содержащие собственно «данные» файла (например, текстовые), которые загружаются в адресное пространство процесса.
4. Разделы, содержащие смешанную информацию, такую как таблицы идентификаторов и другие данные, используемые в процессе отладки.
Рисунок 7.20. Образ исполняемого файла
Указанные составляющие с развитием самой системы видоизменяются, однако во всех исполняемых файлах обязательно присутствует главный заголовок с полем типа файла.
Тип файла обозначается коротким целым числом (представляется в машине полусловом), которое идентифицирует файл как загрузочный модуль, давая тем самым ядру возможность отслеживать динамические характеристики его выполнения. Например, в машине PDP 11/70 определение типа файла как загрузочного модуля свидетельствует о том, что процесс, исполняющий файл, может использовать до 128 Кбайт памяти вместо 64 Кбайт [22], тем не менее в системах с замещением страниц тип файла все еще играет существенную роль, в чем нам предстоит убедиться во время знакомства с главой 9.
Вернемся к алгоритму. Мы остановились на том, что ядро обратилось к индексу файла и установило, что файл является исполнимым. Ядру следовало бы освободить память, занимаемую пользовательским контекстом процесса. Однако, поскольку в памяти, подлежащей освобождению, располагаются передаваемые новой программе параметры, ядро первым делом копирует их из адресного пространства в промежуточный буфер на время, пока не будут отведены области для нового пространства памяти.
Поскольку параметрами функции exec выступают пользовательские адреса массивов символьных строк, ядро по каждой строке сначала копирует в системную память адрес строки, а затем саму строку. Для хранения строки в разных версиях системы могут быть выбраны различные места. Чаще принято хранить строки в стеке ядра (локальная структура данных, принадлежащая программе ядра), на нераспределяемых участках памяти (таких как страницы), которые можно занимать только временно, а также во внешней памяти (на устройстве выгрузки).
С точки зрения реализации проще всего для копирования параметров в новый пользовательский контекст обратиться к стеку ядра. Однако, поскольку размер стека ядра, как правило, ограничивается системой, а также поскольку параметры функции exec могут иметь произвольную длину, этот подход следует сочетать с другими подходами. При рассмотрении других вариантов обычно останавливаются на способе хранения, обеспечивающем наиболее быстрый доступ к строкам. Если доступ к страницам памяти в системе реализуется довольно просто, строки следует размещать на страницах, поскольку обращение к оперативной памяти осуществляется быстрее, чем к внешней (устройству выгрузки).
execve(filename, argv, envp)
где filename — имя исполняемого файла, argv — указатель на массив параметров, которые передаются вызываемой программе, а envp — указатель на массив параметров, составляющих среду выполнения вызываемой программы. Вызов системной функции exec осуществляют несколько библиотечных функций, таких как execl, execv, execle и т. д. В том случае, когда программа использует параметры командной строки
main(argc, argv),
массив argv является копией одноименного параметра, передаваемого функции exec. Символьные строки, описывающие среду выполнения вызываемой программы, имеют вид «имя=значение» и содержат полезную для программ информацию, такую как начальный каталог пользователя и путь поиска исполняемых программ. Процессы могут обращаться к параметрам описания среды выполнения, используя глобальную переменную environ, которую заводит начальная процедура Си-интерпретатора.
алгоритм exec
входная информация:
(1) имя файла
(2) список параметров
(3) список переменных среды
выходная информация: отсутствует
{
получить индекс файла (алгоритм namei);
проверить, является ли файл исполнимым и имеет ли пользователь право на его исполнение;
прочитать информацию из заголовков файла и проверить, является ли он загрузочным модулем;
скопировать параметры, переданные функции, из старого адресного пространства в системное пространство;
for (каждой области, присоединенной к процессу)
отсоединить все старые области (алгоритм detachreg);
for (каждой области, определенной в загрузочном модуле) {
выделить новые области (алгоритм allocreg);
присоединить области (алгоритм attachreg);
загрузить область в память по готовности (алгоритм loadreg);
}
скопировать параметры, переданные функции, в новую область стека задачи;
специальная обработка для setuid-программ, трассировка;
проинициализировать область сохранения регистров задачи (в рамках подготовки к возвращению в режим задачи);
освободить индекс файла (алгоритм iput);
}
Рисунок 7.19. Алгоритм функции exec
На Рисунке 7.19 представлен алгоритм выполнения системной функции exec. Сначала функция обращается к файлу по алгоритму namei, проверяя, является ли файл исполнимым и отличным от каталога, а также проверяя наличие у пользователя права исполнять программу. Затем ядро, считывая заголовок файла, определяет размещение информации в файле (формат файла).
На Рисунке 7.20 изображен логический формат исполняемого файла в файловой системе, обычно генерируемый транслятором или загрузчиком. Он разбивается на четыре части:
1. Главный заголовок, содержащий информацию о том, на сколько разделов делится файл, а также содержащий начальный адрес исполнения процесса и некоторое «магическое число», описывающее тип исполняемого файла.
2. Заголовки разделов, содержащие информацию, описывающую каждый раздел в файле: его размер, виртуальные адреса, в которых он располагается, и др.
3. Разделы, содержащие собственно «данные» файла (например, текстовые), которые загружаются в адресное пространство процесса.
4. Разделы, содержащие смешанную информацию, такую как таблицы идентификаторов и другие данные, используемые в процессе отладки.
Указанные составляющие с развитием самой системы видоизменяются, однако во всех исполняемых файлах обязательно присутствует главный заголовок с полем типа файла.
Тип файла обозначается коротким целым числом (представляется в машине полусловом), которое идентифицирует файл как загрузочный модуль, давая тем самым ядру возможность отслеживать динамические характеристики его выполнения. Например, в машине PDP 11/70 определение типа файла как загрузочного модуля свидетельствует о том, что процесс, исполняющий файл, может использовать до 128 Кбайт памяти вместо 64 Кбайт [22], тем не менее в системах с замещением страниц тип файла все еще играет существенную роль, в чем нам предстоит убедиться во время знакомства с главой 9.
Вернемся к алгоритму. Мы остановились на том, что ядро обратилось к индексу файла и установило, что файл является исполнимым. Ядру следовало бы освободить память, занимаемую пользовательским контекстом процесса. Однако, поскольку в памяти, подлежащей освобождению, располагаются передаваемые новой программе параметры, ядро первым делом копирует их из адресного пространства в промежуточный буфер на время, пока не будут отведены области для нового пространства памяти.
Поскольку параметрами функции exec выступают пользовательские адреса массивов символьных строк, ядро по каждой строке сначала копирует в системную память адрес строки, а затем саму строку. Для хранения строки в разных версиях системы могут быть выбраны различные места. Чаще принято хранить строки в стеке ядра (локальная структура данных, принадлежащая программе ядра), на нераспределяемых участках памяти (таких как страницы), которые можно занимать только временно, а также во внешней памяти (на устройстве выгрузки).
С точки зрения реализации проще всего для копирования параметров в новый пользовательский контекст обратиться к стеку ядра. Однако, поскольку размер стека ядра, как правило, ограничивается системой, а также поскольку параметры функции exec могут иметь произвольную длину, этот подход следует сочетать с другими подходами. При рассмотрении других вариантов обычно останавливаются на способе хранения, обеспечивающем наиболее быстрый доступ к строкам. Если доступ к страницам памяти в системе реализуется довольно просто, строки следует размещать на страницах, поскольку обращение к оперативной памяти осуществляется быстрее, чем к внешней (устройству выгрузки).